30.3 Cernin koeasemat havaitsivat historialliset ensimmäiset suuren hiukkastörmäyttimen (LHC) vastakkaisilla radoilla kiertävien protonisuihkujen 7 teraelektronivoltin (TeV) törmäykset.  Se oli siihen mennessä suurin koskaan aikaansaatu energia hiukkastörmäyksissä.

CERNin CMS-, ATLAS-, ALICE- ja LHCb-koeasemilla törmäytetään kaksi vastakkaisilla radoilla kiertävää protonisuihkua keskenään. Törmäyttimen sisällä hiukkaset törmäävät toisiinsa parhaimmillaan jopa 600 miljoonaa kertaa sekunnissa. Koeasemat tuottavat vuodessa 15 petatavua dataa, kun LHC:n tavoitetehot on saavutettu.  Se vastaa samaa datamäärää, joka 3,3 miljoonassa tavallisessa  DVD-levyssä. 

CMS ja ATLAS

Suurimmat koeasemat, ATLAS ja CMS, on suunniteltu uusien hiukkasten etsimistä ja hiukkasfysiikan standardimallia laajentavien teorioiden testaamista varten.  Suomalaiset tutkijat osallistuvat CMS- ja ALICE-koeasemian datan analysoimiseen. Suomen CERN-yhteistyötä koordinoi Fysiikan tutkimuslaitos (HIP), joka on Helsingin yliopiston, Aalto-yliopiston, Jyväskylän yliopiston, Lappeenrannan teknillisen yliopiston ja Tampereen teknillisen yliopiston yhteinen tutkimuslaitos. CSC toimittaa tutkimuslaitokselle laskenta- ja tallennuspalvelimet, jotka sijaitsevat CSC:n konesalissa. Tallennustilaa on 300 teratavua. Yksi teratavu vastaa datamäärältään jokaisen maailman ihmisen nimi- ja osoitetietoja.

Pelkästään CMS-koe kerää tallennettavaa dataa 100 megatavua joka sekunti. CMS-kokeella etsitään uusia hiukkasia, joista merkittävin on ns. Higgsin hiukkanen. CMS-kokeessa on mukana Fysiikan tutkimuslaitoksen ja Helsingin yliopiston
tutkimusryhmä, jota johtavat professorit Paula Eerola ja Jorma Tuominiemi.

Jyväskylän yliopiston tutkijat ovat mukana ALICE-kokeessa (A Large Ion Collider Experiment). LHC:n raskasioniohjelmassa törmäytetään vastakkain kaksi lyijy-ydintä lähes valonnopeudella. Törmäyksessä syntyy kuuma ainepisara, jonka lämpötilan uskotaan nousevan hetkellisesti yli tuhanteen miljardiin asteeseen. Näin korkeassa lämpötilassa tapahtuu olomuodon muutos, jossa nukleoneista (protonit ja neutronit) koostuva ydinaine ”sulaa” niiden rakenneosista, kvarkeista ja gluoneista, koostuvaksi plasmaksi. Kaiken aineen uskotaan olleen kvarkki-gluoniplasmaa varhaisessa maailmankaikkeudessa, noin 1-10 mikrosekuntia alkuräjähdyksen jälkeen. Jyväskylän yliopiston fysiikan laitoksen ALICE-projektia johtaa erikoistutkija Jan Rak.

Tier-1 - keskukset

CMS- ja muissa LHC-kokeissa viedään Cernin tietokonekeskuksen nauhoille mittaustulokset niistä törmäyksistä, jotka ovat läpäisseet ns. liipaisujärjestelmän valintaehdot. Kun törmäytin on täydessä tehossaan, sekunnin aikana tapahtuneista 40 miljoonasta protonikimpputörmäyksistä analysoidaan 100 tapahtumaa sekunnissa.

Datansiirto edellyttää levy- ja nauhajärjestelmää joka osaa Storage Request Manager (SRM)- protokollaa, toimivaa grid-infrastruktuuria ja siihen liittyviä tietokantoja ja ohjelmistoja. Törmäyttimestä syntyvä data hajautetaan nopeiden tietoliikenneyhteyksien avulla analysoitavaksi 34 eri maahan. Worldwide LHC Computing Grid (WLCG) käsittää lähes 200 laskentakeskusta, jotka on jaettu kokonsa puolesta ns. Tier-1 ja Tier-2 keskuksiin. Cernin oma laskentakeskus muodostaa Tier-0 keskuksen.

Raakadatan toinen kopio siirretään PhEDEx-ohjelmistolla arkistoitavaksi nauhalle Tier-1 keskuksiin, jossa tehdään hiukkasjälkien rekonstruktio parhaan saatavilla olevan kalibraatiodatan avulla. Dataa käsittelee yli 100 000 prosessoriydintä. Tier-1keskuksia on 11. Aasiasta on Taipei, Pohjois-Amerikasta Vancouver, New York ja Chicago. Euroopassa Karlsruhe, Lyon, Bologna, Amsterdam, Lontoo, Barcelona sekä neljän pohjoismaan muodostama NDGF. Pohjoismaiseen liittymään kuuluu myös Suomesta CSC.

Tier-2 keskukset Suomessa Helsingissä ja Jyväskylässä

Datasta generoidaan pienempi osajoukko, joka on sitä dataa, jota toimitetaan eteenpäin Tier-2 keskuksiin analysoitavaksi.  Analysointityöhön osallistuu 8000 fyysikkoa.

Pohjoismaiden yhteyksissä LHC-laskentaverkkoon hyödynnetään Geant- ja NORDUnet-verkkoja. Suomessa Funet-verkkoa operoiva CSC rakensi hiukkastörmäyttimen tiedonsiirtoa varten erillisen 10 gigabitin (Gbit/s) valopolkuyhteyden Helsingin yliopiston Kumpulan tiedekampukselle. Yhteys kulkee Espoossa sijaitsevan CSC:n kautta. Kyseessä on Suomen tehokkain tutkimuskäyttöön rakennettu tiedonsiirtoyhteys. Osa datasta siirretään Funet-verkossa myös Jyväskylän yliopistolle.

Levytila elää jatkuvasti fysiikan analyysin tarpeiden mukaan, joten vanhaa analyysidataa poistetaan sitä mukaa, kun uusia tarkempia kalibraatioita siitä on saatavilla. Samaa dataa joudutaan rekonstruoimaan ja analysoimaan useampaan kertaan.

Ari Turunen

Artikkeliin haastateltiin seuraavia henkilöitä: Tomas Linden, HIP ja Dan Still, CSC.